بخشی از مقاله
تقويت ديوارها
تقويت برشي ديوارهاي چينه URM بوسيله سيستم هاي FRP
S.GRANDO , M.R.VALLUZZI
واحد آموزشي مهندسي حمل و نقل و ساختمان ، دانشگاه پادوا
VIAMARZOLO – 9 – 35131 پادوا ، ايتاليا
A.NANNI , J.G. TUMIA
مركز تحقيقات مهندسي زير سازه
65409-00300 ، آمريكا Mo , Rolla , Minercircle
اين مقاله يك برنامه آزمايشي را ارائه مي دهد كه به موضوع تقويت برشي به وسيله سيستم هاي FRP ديوارهاي URM ساخته شده با واحدهاي رسي مي پردازد. پنج پانل بنايي رسي با تركيب FRP به شكل ورقه ها و ميله ها تقويت شده و به منظور لحاظ كردن عملكرد برش آنها در طول قطر ديوار بارگذاري شدند. ابعاد پلانهاي بنايي m22/1*22/1 و به ضخامت mm120 بودند. از تكنيكهاي گزارش شده ساختماني براي ميله ها استفاده مي شود. اين تكنيك شامل قراردادن ميله هاي FRP در مفصل هاي بستر بنايي است. از سوي ديگر، براي ورقه ها از تكنيك قراردادن دستي استفاده مي شود. نتايج، كارآيي عملكرد برش در حال افزايش ديوارهاي چينه URN را برحسب ظرفيت و شكل پذيري ظاهري نشان مي دهند.
مقدمه:
وقتي بار پلان بر روي ديوار كشيده شده اعمال شود، ظرفيت نهايي را ميتوان به آساني به دست آورد و ديوار URM فرو مي ريزد. تأثير اصلي اين نوع بار عبارت است از تنش برشي كه بوسيله تركهاي موجود در سراسر طول و با امتداد گسيختگي برش قابل تشخيص است. بعد از باز شدن ترك، ديوار كل ظرفيت خود را از دست داده و ميتواند به آساني به زير و خارج از بار پلان فرو بريزد و زندگي انسان را به مخاطره بياندازد. به اين دليل، پيش گيري و مهار اين نوع گسيختگي داراي اهميت است.
استفاده از سيستم هاي FRP ميتواند جواب قانع كننده اي براي اين مشكل باشد. با استفاده از تركيبات FRP، افزايش ظرفيت نهايي ديوار بدون اضافه كردن وزن و سختي آن با اجتناب از پيامدهاي خطرناك ناشي از حوادث زمين لرزه اي ، امكان پذير است.
علاوه بر اين، به واسطه استفاده از FRP ، سود زيبايي شناختي ساختماني و منطقي وجود دارد، كه عبارتند از حداقل اتلاف فضاي مفيد و با يك گچكاري ميتوان مصالح تقويت كننده ساختمان را مخفي كرد.
توصيف مصالح ساختمان (مواد كار)
آزمايشات تجربي براي توصيف خصوصيات مكانيكي مصالح ساختمان بكار رفته در اين بررسي، به نتيجه رسيدند. متوسط تاب فشردگي آجرهاي رسي بنايي حاصل از آزمايش منشور.
Mpa , (ASTM C1314) 78/15 بود. ديوارها با ميله هاي 2GFRP # به قطر mm6 و ورقه هاي GFRP در داخل يك چسب اپوكسي جاسازي شدند كه برطبق توليد و آزمايش نتايج همانطور كه در جدول 1 نشان داده شده است داراي خصوصيات مكانيكي هستند.
جدول 1 – خصوصيات مكانيكي
مواد كار تاب فشردگي
[Mpa] مقاومت كششي
[Mpa] ضريب الاستيكي
[Mpa]
ميله هاي #2GFRP - 824 50162
ورقه هاي GFRP - 1687 83129
چسب اپوكسي 18/86 58/27 3102
روش تقويت
تكنيك كارگذاري دستي شامل مراحل ذيل است: (a) كاربرد آستر، براي كاهش دادن تخلخل سطح ديوار بنايي؛ (b) لاله ثانويه بطونه، براي هموار كردن ناهمواريهاي روي سطح ديوار؛ (C) لايه اي از ماده اشباع شده مانند چسب، با استفاده از غلطك بكار ميرود؛ (d) تثبيت موقعيت ورقه هاي FRP بر روي سطح ديوار، با استفاده از يك غلطك حباب براي بيرون راندن هواي به دام افتاده بين ماده اشباع و الياف؛ و (e) يك لايه دوم ماده اشباع بكار رفته است (به شكل 1 مراجعه شود).
تكنيك ساختماني FRP گزارش شده به يك متد كاربردي ساده تر نياز دارد: (a) با استفاده از يك دستگاه سنگ سمباده داراي تيغه الماسي، چاكهاي به ضخامت 5/1 برابر اندازه ميله شيار دار ميشوند؛ (b) لايه اي از چسب جاسازي با يك گان مناسب در شيار قرار داده شد؛ ميله در شيار قرار گرفت و سپس چاك كاملاً با چسب پر شد تا ميله FRP در محفظه قرار گيرد. (به شكل 2 مراجعه شود).
شكل 2- گزارش ساختماني FRP شكل 1- تكنيك كارگذاري دستي
نمونه آزمايش
كل پنج ديوار آجري رسي بنايي به ابعاد mm102*1220*1220 با آجرهاي رسي به ابعاد 203*102*51 در يك نمونه بندكشي پيوسته، ساخته شدند. همه ديوارها با يك تيغه مناسب به منظور اجتناب از ايجاد متغيرهاي اضافي نظير طرز ساخت و قابليت كار ملات مختلف ساخته شدند كه اين متغيرها با ساختن نمونه ها به وجود مي آيند.
برنامه آزمايشي در شكل 3 نشان داده شده است. يك ديوار URM ، Co1 ، نمونه ديوار مهار بود: ديوار CB1 با 2 ميله GFRP در هر اتصال ثانويه ملات در سمت مقابل تقويت شد؛ ديوار CB2 حتي در قسمت عقب خود داراي مقدار يكساني از ميله هاي FRP مانند CB1 بود؛ ديوار CL1 با ورقه هاي CFRP به پهناي mm5/76 (3 اينچ) در هر mm5/152 ( 6 اينچ ) مهيا شد. بنابراين، كل 5 بند (قطعه باريك) در سمت جلو به كار رفتند. ديوار CL2 به روش مشابه با CL1 تقويت شد، اما اين كار با مقدار يكساني از ورقه ها نيز در سمت پشت ديوار در مكاني شبيه به جلوي ديوار انجام شد.
مقدار آرماتور تقويت كننده براي پيكربندي هاي مختلف برحسب سختي محوري E.A معادل هستند (ضريب الاستيسيته (ارتجاعي) با سطح مقطع عرضي ضرب شد).
شكل 3- برنامه تست (برنامه آزماينده)
مقدمه چيني تست
نمونه ها به روش حلقه بسته تست شدند. دو جك هيدروليكي به ظرفيت 30 تن توسط يك پمپ دستي فعال شد و از آن براي توليد بار الكتريكي در سراسر قطر ديوار تحت آزمايش استفاده شد. در طول بارگذاري، بوسيله كفش پولادي قرار گرفته در گوشه بالا نيرو به ديوار اعمال شد و در گوشه پايين در سراسر ميله هاي فولادي بسيار قوي به دستگاههاي مشابه انتقال يافت.
شكل 4- مقدمه چيني تست را نشان مي دهد
بار در سيكل هاي بارگذاري اعمال شد و براي هر 10 تن و نيز براي تعيين ثبات سيستم تخليه شد. داده ها توسط سلولهاي محلي و گشتاور متغير خطي ترانسديوسرها (LVDTs) بدست آمدند و توسط سيستم دريافت كننده داده هاي DAYTRONTZ به فركانس 1Hz جمع آوري شدند. براي جمع آوري جابجايي و بازشدن ترك در ديوارها، دو LVDT در امتداد طول هر سمت ديوار قرار گرفتند.
شكل 4- مقدمه چيني تست
مكانيزم گسيختگي
تقويت يك سمت
مكانيزم كلي گسيختگي در تقويت كردن يك طرف ديوارها مشاهده شد (به شكل 5 مراجعه شود). آن گسيختگي در دو مرحله توسعه يافت: يك مرحله در پلان و ديگري در بيرون از پلان، كه در ذيل شرح داده ميشود:
(a) مرحله داخل پلان – ابتدا يك ترك با گسيخته شدن واحدها (قسمت هاي ) بنايي از ملات، توليد مي شود كه در سمت بدون آرماتور رخ مي دهد و در سراسر ضخامت ديوار حركت مي كند تا اينكه در اتصال واحد ساختمان گسيختگي چسب اپوكس رخ دهد؛ و در پي آن ديوار مي شكند زيرا تنش كششي به مدت طولانيتر به FRP منتقل نمي‌شود. ديوار در امتداد قطر ترك مي خورد، در پي آن اتصالات ملات ترك خورده و يك ترك برشي و طبقه اي توليد مي شود (شكل 6).
(b) مرحله بيرون از پلان (شكل 7)
باز شدن ترك ها در سمت تقويت نشده نسبت به سمت تقويت شده به علت بيشتر بودن تركها است (شكل 8).
تقويت كردن دو سمت [ديوار]
در صورت تقويت دو طرف ديوار، گسيختگي ناگهاني و سريعتر از مورد شرح داده شده قبلي است. گسيختگي در بار بالاتر اتفاق مي افتد (شكل 8)، كه اين امر به علت گريز از مركز صفر در آرماتور است. در واقع، وجود آرماتور در هر دو سمت ديوار، مرحله بيرون از پلان را در گسيختگي ايجاد نكرد.
در اين ديوارهاي تقويت شده، وجود آرماتور به تشكيل تركهاي قطري و در حال حركت در طول واحدهاي ساختمان (شكل 9) فشار وارد مي كند در عوض اينكه بر عمل ترك برش طبقه اي فشار وارد كند. ترك معمولاً روي مواد كار به كار رفته و روي سيستم FRP توسعه مي يابد، و بدون تغيير مسير خود در سراسر اتصاف گسترش مي يابد. از اين رو، نيروهاي كششي در پل بندي FRP ترك قطري، ظرفيت برش ديوارها را افزايش مي دهد. علاوه بر آن، در نتيجه بارهاي حاصله، حالتي از شكافتن (ديوار CB2 ، شكل 9) و حالتي از لغزش وجود دارد (ديوار CL2 ، شكل 12).
شكل 5- مكانيزم كلي گسيختگي براي ديوارهاي آرماتوري يك طرفه
شكل 8- بازشدن ترك در طرفهاي جلو و عقب ديوارها
شكل 9- عمل ترك در آرماتور دو طرفه (شكاف برداشتن در وسط).
تجزيه و تحليل نتايج آزمايش
براي ديوار مهار co1 ،گسيختگي شكننده و ناگهاني بود كه با اتصال اجزاي ساختمان و ملات كنترل شد. همه ديوارها توسط گسيختگي رس مي شكستند اما ديوارهاي تقويت شده شكل پذيري بيشتري داشتند. در آخرين حالت، در كل ديوارهاي تقويت شده، سست شدن مصالح ساختمان تنها در مورد ديوار CL2 مشاهده شد كه ناشي از لغزش اتصال ملات بود. حداكثر افزايش در ظرفيت برش (حدود 200%) در دو ديوار (CB2 و CL2 ) به ثبت رسيد.
براي مقايسه مقدار اختلاف و نوع آرماتورها، معياري براساس تغيير شكل برشي تنظيم شد. شكل پذيري ظاهري “M” با استفاده از روابط (1) و (2) زير محاسبه شد.
(1)
(2)
كه عبارت است از تغيير شكل برش نهايي و تغيير شكل برش جاري است (مطابق تغيير در شيب بر حسب بار برخلاف دياگرام هاي تغيير شكل برشي است). با توجه به تغييرات شكل ايجاد شده توسط بار طولي به عنوان تغييرات شكل اصلي، حداكثر تغيير شكل برشي به عنوان مجموع اين تغييرات بيان مي شود حاصل در جدول 2 معين شده اند.
جدول2- مقايسه شكل پذيري ظاهري
شكل10 بار داخل پلان را در مقابل منحني هاي تغيير شكل برش براي كل ديوار تست شده نشان مي دهد. به واسطه جدول2 و شكل10 بهترين عمل جستجوي ديوارCL2 است كه با توزيع متقارن ورقه هايي در هر دو طرف تقويت شده است. اين كار، هر دو ظرفيت نهايي و شكل پذيري ظاهري را افزايش مي دهد. در كل، اين ديوار با لغزش پنجمين اتصال بعد از گسيختگي شكسته است. علاوه بر اين، خاطر نشان مي شود كه حداكثر مقدار با ديوارهايCL مطابق است، اين تطبيق احتمالاً به علت ناحيه بزرگتر پوشيده شده توسط ورقه ها در مقايسه با ميله ها است.
رفتار مناسب پانل هاي رسي در مقايسه با ساير ديوارهاي بتني مشابه ناشي از اين واقعيت است كه ملات مي تواند به داخل سوراخ هاي آجرها رفته و يك سيستم جامد و سخت را به وجود آورد (به شكل1 مراجعه شود). اين امر موجب اثر عمل ميخچه اي ملات مي شود و خود ظرفيت ديوار را افزايش مي دهد. گسيختگي در حال شكافتن (شكل9) در ناحيه مركزي در امتداد طول فشرده در ديوارCB2 حاصل شد كه ناشي از تنش مماس حاصل از مهار بالاي بين آجرهاي رسي و از ناحيه آرماتور متقارن است (ميله هاي#2GFRD هر دو طرف).
شكستگي لغزش (شكل12) در ديوارCL2 ناشي از تركيب بين افزايش بار نهايي (به علت وجود آرماتور در هر دو طرف) و قدرت كمتر در سطح مشترك اتصال بدون آرماتور ملات بود. به هر حال، در اين صورت افزايش بيشتر در ظرفيت برش به ثبت رسيد، همانطور ورقه هاي افقي، لايه هاي ساختماني را مهار كردند كه در آنجا لغزش رخ مي داد و ترك ها در طول اتصالات بالا پل بندي (اتصال پل) شدند.
شكل11- اثر عمل ميخچه اي شكل 12- گسيختگي لغزش (شكستگي لغزش)
